ПРОБЛЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ
Крупные электрические станции всегда строят там, где есть доступ к мощным источникам первичной энергии:
- мощные ГЭС возводят на полноводных сибирских и волжских реках;
- крупные ТЭС сооружают непосредственно возле угольных разрезов или магистральных газопроводов;
- АЭС размещают возле обширных водоёмов для охлаждения контуров.
В то же время основные потребители энергии — промышленные мегаполисы, заводы и фабрики — удалены от мест генерации на сотни и тысячи километров. Линии, связывающие электростанции с потребителями, называют линиями электропередачи (ЛЭП).
При движении электрического тока по металлическим проводам ЛЭП часть передаваемой энергии неизбежно превращается во внутреннюю энергию проводников (нагревание проводов) и безвозвратно рассеивается в окружающей атмосфере:
Чем дальше потребитель находится от электростанции, тем больше тепла $Q$ теряется в проводах и тем меньшая доля выработанной энергии доходит до городов. Снижение этих потерь — важнейшая научно-техническая и экономическая задача.
ФИЗИКА ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ: ЗАКОН ДЖОУЛЯ — ЛЕНЦА
Количество теплоты $Q$, выделяющееся в проводах линии передачи за время $t$, подчиняется фундаментальному закону Джоуля — Ленца:
Анализ формулы показывает, что снизить бесполезные потери энергии можно только двумя путями:
- Уменьшением электрического сопротивления проводов $R$:
Сопротивление линии рассчитывается как $R = \rho \cdot \frac{l}{S}$. Провода ЛЭП изготавливают из алюминия и меди — металлов с наименьшим удельным сопротивлением $\rho$. Однако бесконечно увеличивать площадь сечения проводов $S$ (делать их толще) невозможно: это вызовет колоссальный перерасход дорогостоящих цветных металлов, а тяжёлые многотонные провода просто оборвут опоры ЛЭП.
- Уменьшением силы тока $I$ в проводах ЛЭП:
Это решающий физический фактор! Обратите внимание: потери тепла зависят от силы тока квадратично ($Q \sim I^2$). Это означает, что если мы уменьшим силу тока в линии всего в 10 раз, тепловые потери сократятся в $10^2 = 100$ раз! А если снизить ток в 100 раз, потери тепла упадут в $100^2 = 10\ 000$ раз!
КАК СНИЗИТЬ ТОК, НЕ ТЕРЯЯ МОЩНОСТЬ: ПОВЫШЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Передаваемая потребителям электрическая мощность постоянного и переменного тока выражается формулой:
Чтобы передавать гигантскую полезную мощность электростанции $P$ при минимальной силе тока $I$, необходимо во столько же раз повысить напряжение $U$!
Передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно исключительно под колоссальным напряжением в сотни тысяч вольт. Однако генераторы электростанций технически не могут вырабатывать сотни тысяч вольт (из-за пробоя изоляции обмоток), а бытовые приборы в квартирах требуют безопасных 220 В.
Для решения этой проблемы требовалось устройство, способное легко и с минимальными потерями повышать и понижать переменное напряжение. Таким устройством стал трансформатор.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Трансформатор был изобретён в 1876 году выдающимся русским учёным и изобретателем Павлом Николаевичем Яблочковым (1847–1894) (автором знаменитой электрической дуговой «свечи Яблочкова»), а в 1882 году детально исследован и усовершенствован русским физиком И. Ф. Усагиным.
Трансформатор состоит из двух основных элементов (рис. 176):
- Замкнутый стальной сердечник:
Набран из тонких пластин магнитомягкой электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком (для предотвращения вихревых токов Фуко и устранения нагрева).
- Две изолированные обмотки:
- Первичная обмотка с числом витков $N_1$, подключаемая к источнику переменного напряжения $U_1$.
- Вторичная обмотка с числом витков $N_2$, к которой подключается нагрузка (потребители) с напряжением $U_2$.
Физический принцип работы:
При протекании по первичной обмотке переменного тока в стальном сердечнике возникает непрерывно меняющийся замкнутый магнитный поток. Пронизывая витки вторичной обмотки, этот переменный поток возбуждает в ней явление электромагнитной индукции, создавая переменное напряжение $U_2$.
Связь между напряжениями и числом витков описывается формулой:
- Повышающий трансформатор ($N_2 > N_1$): вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, поэтому выходное напряжение выше входного ($U_2 > U_1$).
- Понижающий трансформатор ($N_2 < N_1$): вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная, поэтому выходное напряжение ниже входного ($U_2 < U_1$).
КПД современных мощных силовых трансформаторов чрезвычайно высок и достигает 98–99%.
СХЕМА СОВРЕМЕННОЙ ЕДИНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
Передача электрической энергии в масштабах страны осуществляется по строгой ступенчатой схеме (рис. 177):
- Генераторы электростанции: вырабатывают переменный ток напряжением обычно 12–25 кВ.
- Повышающая трансформаторная подстанция: расположена непосредственно на территории электростанции. Мощные повышающие трансформаторы поднимают напряжение до 110, 220, 400 или 750 кВ (сотни тысяч вольт!).
- Высоковольтная ЛЭП: ток сверхвысокого напряжения передаётся по проводам на сотни и тысячи километров с ничтожно малыми потерями на нагревание.
- Городская понижающая подстанция: на въезде в промышленный район понижает напряжение до 10–35 кВ для заводских распределительных сетей.
- Районные трансформаторные будки: понижают напряжение до стандартных трёхфазных 380 В и однофазных бытовых 220 В, которые безопасно подаются в жилые дома.
- Бытовые трансформаторы: миниатюрные трансформаторные блоки внутри блоков питания заряжают телефоны (понижая 220 В до 5–9 В) и питают электронику.
ИСТОРИЧЕСКИЙ ВКЛАД РОССИЙСКИХ УЧЁНЫХ
Отечественная физическая школа внесла решающий вклад в создание мировой электроэнергетики:
- Ф. А. Пироцкий (1874 г.): впервые в мире осуществил передачу электроэнергии мощностью 6 кВт на расстояние около 1 км на Волковом поле в Санкт-Петербурге, используя рельсы железнодорожного полотна.
- Д. А. Лачинов (1880 г.): профессор Лесного института в Петербурге в статье «Электромеханическая работа» впервые в мире теоретически доказал, что для передачи энергии на большие расстояния без чудовищных потерь необходимо повышать напряжение до многих тысяч вольт.
- М. О. Доливо-Добровольский (1889–1891 гг.): разработал комплексную трёхфазную систему переменного тока, изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель и трёхфазный трансформатор. В 1891 году на электротехнической выставке во Франкфурте Доливо-Добровольский продемонстрировал передачу 300 кВт трёхфазного тока на рекордное расстояние 175 км с фантастическим для того времени КПД 75%, окончательно решив проблему передачи энергии в мировом масштабе.
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Причина потерь в ЛЭП: Нагревание проводов по закону Джоуля — Ленца:
- Главный закон снижения потерь: Снижение силы тока $I$ в линии! Потери падают квадратично: уменьшение тока в 10 раз снижает потери в 100 раз.
- Формула передаваемой мощности: $P = U \cdot I$. Чтобы передать ту же мощность при малом токе, напряжение повышают во столько же раз.
- Трансформатор: Устройство для преобразования переменного напряжения и силы тока на основе явления электромагнитной индукции (изобретён П. Н. Яблочковым в 1876 г.).
- Формула трансформатора:
- Повышающий: $N_2 > N_1 \implies U_2 > U_1$.
- Понижающий: $N_2 < N_1 \implies U_2 < U_1$.
- Цепочка передачи энергии: Генератор (12–25 кВ) $\to$ Повышающий трансформатор $\to$ ЛЭП (до 750 кВ) $\to$ Понижающий трансформатор (10 кВ $\to$ 380 В $\to$ 220 В) $\to$ Потребители.
- Российские первопроходцы: П. Н. Яблочков (трансформатор), Д. А. Лачинов (теория передачи высоким напряжением), М. О. Доливо-Добровольский (трёхфазный ток).